日本发展先进半导体制造的挑战

 
日本的半导体产业还远不到需要文艺复兴的程度，中世记的黑暗从未来过。在上游的半导体材料市场日本仍占近一半，处于絶对宰制的地位；机器设备市场也占3分之1左右，仍然有很强的话语权。在NAND Flash、功率元件、车用半导体等元件领域均名列前茅，CIS亦如半导体材料一样，撑起半边天。 
 
即使是日本自己认为积弱的半导体制造，也只是停滞在40纳米。当年只因为研发的规模不够，所以停滞不前。如今事隔多年，想要重新推动邻接时代技术比当年要简单多了。

但是日本志在先进制程。 
 
肩负重振日本半导体先进制造重任的是Rapidus。Rapidus会长东哲郎曾说Rapidus面临3个挑战， 

 
东哲郎还说他当初也考虑过发展成熟制程，他讲的成熟制程大概是7~28纳米之间的制程。他的顾虑是既存公司的设备大概已折旧殆尽，Rapidus以一个新进者使用新设备、高折旧费会让竞争增加难度。 
 
这个理由其实没有那麽决定性，却恰巧幸运的避开自2018年中美贸易战后中国厂商对于半导体制程设备的连续防御性备货采购。这些积累的设备采购当然会转变成产能。到了2027年时，预计中国的成熟制程产能会占全世界的一半。而成熟制程市场的红海其实早已开始了，看看各成熟制程代工厂的稼动率虽然维持高档，而利润率都逐渐下滑即可知晓。这是一个Rapidus幸运的正确抉择。 
 
东哲郎认为Rapidus主要的挑战有三：技术是否能真正量产、客户与市场定位以及筹资问题。在我来看，问题还可以再简化。第一个是是否可以研发出2纳米制程的原型（prototype）?以日本过去的积累以及科技的实力，我认为答案是肯定的，只是时间长短的问题。但是能否进入量产，有经验的问题，也有客户的问题。 
 
Rapidus的合作夥伴多是比较像研究机构的单位，像IBM、Imec、Leti等。譬如IBM最后的量产技术节点22纳米 SOI都是近10年以前的事了。之后在量产技术发生的重大变化包括AI、与先进封装的整合等大概率是有知识、没实务经验的。这一点会让量产的过程走得比较艰辛。 
 
量产的过程需要有适合的产品来验证制程，这个条件的成就，和顾户与公司的定位有关。 
 
从时间的纵深以及产业的格局来看，Rapidus的挑战还有2个，一个是重新切入半导体先进制造的时间，一个是规模经济，而这二者是相互关连的。 
 
Rapidus从2纳米做起，这已相当接近摩尔定律的后段；想一想，矽的共价键长度不过也只0.234纳米，2纳米的长度也不过只是8个矽共价键长。虽然现在因为晶体管有3D结构，技术节点的命名并不真的代表临界尺度（critical dimension），但是制程的进展已不能用简单的微缩（shrinking）二字来形容。 
 
从14纳米的FinFET，制程从平面变得立体；3纳米后，制程变成GAA nanosheet；A71下可能会改采CFET；A3以下有可能采取2D FET。 
 
这些制程的推进与以前制程演进式的微缩大不相同。每一次新制程的元件都在晶体管结构、甚至在材料上有突变式的变迁。更要命的是这些变迁往往只能支撑个2、3个时代。 
 
2、3个时代就要量子式跃迁的制程推进，意味着庞大的研究经费以及快速的研发经费摊提。这一切都需要从营业利得去找回，这也看出规模经济的必要性。 
 
然后东哲郎的另外2个挑战就自然浮现了。 
 
Rapidus的原始资金73亿日圆由8家商社分摊。从2022年以来迄今日本政府投入近1万亿日圆，原始资金与之相较显得微不足道，但这只是就到2027年每月量产25,000片的花费。之后的扩张产能以及下时代制程的研发—如果是一家正常的资本主义商业公司—要从自己的盈余中去投入、或另行募资。 
 
照半导体产业过去的经验，一家公司的营业额若占全世界市场15%以上，就有能力做持续的、独立的先进制程研发。这也解释为什麽许多代工业者都策略性的止步于14纳米。上述的15%是在过往制程以微缩方式发展的年代的数据，对于现在快速变迁的先进制程，市占率可能要更高一些，才可能攒够钱做下时代制程研发。 
 
制程研发所需要规模经济让Rapidus在市场定位上陷入两难：如果维持较小营运规模，的确可以依靠利基市场存活，但是无法积存足够盈余持续做下时代制程研发；如果要扩大市占率，势必要进入主流市场及制程，无可避免的要与垄断市场的寡头直接交火。对于一家新创，这样的自我定位可不妙。 
 
所以Rapidus遇到的3个挑战其实只是日本选择在最困难的时间重回半导体制造环节：制程量子跃迁、产业近乎垄断。如果在65、40纳米的时节重返，日子可能好些，但是历史没有如果。 
 
所幸也因为晶圆制造环节制程发展困难，半导体产业创造价值的重担有一部分逐渐由先进封装肩挑起来，而先进封装是日本过去的强项之一，这也许是机会之一。